近日，中国人民大学物理学系程志海教授课题组，与季威课题组以及国防科技大学王广课题组等组成合作团队，理论设计并基于MoTe2单层母体，创制了一种笼目晶格等价结构——着色三角（coloring-triangular，CT）晶格的单层材料CT-MoTe2。该单层材料不但具有笼目晶格特征性的拓扑平带，还表现出两种不同周期的电子晶格(Janus electronic lattices)。该工作不仅发现了一种具有电子拓扑平带的新型单层材料，也展示了在单层二维材料中利用原子簇设计和创制新奇电子性质的可行性。相关研究成果以“Electronic Janus lattice and kagome-like bands in coloring-triangular MoTe2 monolayers”为题发表在2023年10月9日在线出版的《Nature Communications》 （Nat. Commun. 14 , 6320 (2023)）上。

在一些特殊晶格上，具有一定对称性的电子轨道因其波函数间的相干相消，可以形成无色散的电子能带结构——拓扑平带。其色散几乎不依赖于动量，电子动能被显著抑制，电子能态密度高，常涌现出诸如非常规超导电性、反常量子霍尔效应、反常朗道能级和强关联陈绝缘体等新奇物理特性。在笼目(kagome)晶格上具有平面任意或三次旋转对称性的轨道即是上述特殊晶格和特定电子态的一种，磁性笼目金属Co₃Sn₂S₂、 AV₃Sb₅ (A = K, Rb, Cs)是其中的重要代表性材料。

尽管取得了很多进展，欲获得位于费米能级附近且与其他能带没有重叠的拓扑平带仍十分具有挑战性。创制单层材料而减少层间相互作用是避免其他能带与拓扑平带重叠的可能方式之一，且单层材料的结构也便于被清晰表征，其物性也易于被大范围的精准调控，被视为研究新奇物性的绝佳平台。不过，单层笼目晶格材料的稳定性不足仍困扰着研究者们。最近的研究发现，着色三角形(coloring-triangular)结构在数学上与笼目结构等价，其模型哈密顿量可以通过旋转算法相互转化，可以被用于设计和创制承载电子平带特性的新型材料。

程志海及合作团队利用MoTe₂单层中最小的闭合镜像孪晶界(mirror-twin boundary, MTB)三角形（MTB loops），通过顶角——边相邻的超结构排列方式，理论设计了一种新型着色三角形单层材料CT-MoTe₂。理论预测表明，该单层材料具有较好的热稳定性和多套笼目电子能带，其中包含一条位于费米能级附近(+0.04 eV)的孤立拓扑平带。随后，团队利用分子束外延技术制备出了该单层材料，使用扫描隧道显微镜测量了其不同偏压下的形貌、不同晶格位置的电子能态密度和不同能量下的电子态实空间分布图像。这些测量表征结果发现了在费米能级附近1 eV内具有四套笼目电子结构，包括一条在费米能级附近(+0.05 V)的平带，与理论预测一致。此外，研究团队还发现，CT-MoTe₂具有两种不同周期的电子结构(Janus electronic lattices)，使其表现出两种在不同偏压下性质迥异的畴界。该研究以原子簇为基元，通过超结构设计、实验制备和性质测量，在一定程度上初步实现了材料的按需创制，为探索原子级制造中按需创制任意材料的实现方案提供新线索。

图1. 单层类笼目结构材料CT-MoTe₂的原子结构理论设计与计算

图2. 单层类笼目结构材料CT-MoTe₂的制备及其两种不同周期电子结构的STM表征

图3. 单层类笼目结构材料CT-MoTe₂平带电子结构的实空间表征

该工作以“Electronic Janus lattice and kagome-like bands in coloring-triangular MoTe₂ monolayers”为题发表在10月9日在线出版的《Nature Communications》上，共同第一作者为雷乐(MBE制备与STM表征)、戴佳琦(理论计算)、董皓宇(STM表征)。相关研究工作得到了科技部-国家重点研发专项、国家自然科学基金、中国科学院、教育部以及中国人民大学的资助。

程志海课题组一直致力于发展先进扫描探针显微技术，并利用其在低维量子材料和表界面物理体系开展创新性研究工作，取得了一系列进展。近年来，与合作者一起围绕具有笼目结构和关联电子态、磁性拓扑绝缘体、铁电半导体等开展了研究工作，在超原子晶体的反铁电极化金属态（Phys. Rev. X 12, 041034 (2022)）、表面笼目电子结构（Nat. Commun. 14, 5230 (2023)）、高灵敏光电晶体管（Advanced Functional Materials 32, 2205468 (2022)）等方面取得了一系列重要成果。

原文链接：

Le Lei, Jiaqi Dai, Haoyu Dong , Yanyan Geng, Feiyue Cao, Cong Wang, Rui Xu, Fei Pang, Zheng-Xin Liu, Fangsen Li, Zhihai Cheng, Guang Wang and Wei Ji_， Electronic Janus lattice and Kagome-like bands in coloring-triangular MoTe2 monolayers. Nat. Commun. 14, 6320 (2023).

https://www.nature.com/articles/s41467-023-42044-5#Sec12